Projekte

Das Virtuelle Mikroskop - Visualisierung und Inspektion der Geometrie von simulierten Partikelschüttungen

SWZ-gefördertes Forschungsprojekt

Projektpartner: Prof.Dr. Michael Kolonko, TU Clausthal

 

Viele Materialien und Stoffe sind aus Partikeln aufgebaut, vom Beton bis zur Tablette. Manche Eigenschaften der fertigen Stoffe sind bereits stark durch die geometrischen Eigenschaften der Partikelmischungen bestimmt. Bei Beton ist z.B. die Raumausfüllung der trockenen Mischung, also das Verhältnis von Behältergröße zum Volumen der enthaltenen Partikel, ausschlaggebend für die Festigkeit des Betons nach der Aushärtung. In anderen Anwendungen, etwa bei der Herstellung von Schäumen, spielen Verteilung und Gestalt der Zwischenräume zwischen den 'Partikeln', die in diesem Falle Hohlräume sind, eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Materials.

Die richtige Wahl der Mischungszusammensetzung bzw. Korngrößenverteilung ist daher entscheidend bei der Entwicklung von Partikel-basierten Werkstoffen mit vorgegebenen Eigenschaften. Bisher sind dafür meist noch aufwändige Laborexperimente erforderlich, es gibt allerdings erfolgreiche Ansätze, zumindest die Geometrie der Mischungen am Rechner zu simulieren. In der AG Kolonko wird seit einigen Jahren ein Programmsystem „RaSim“ entwickelt, das die zufällige dichte Anordnung (Packung) einer Mischung von kugelförmigen Partikeln mit einer vorgegebenen Korngrößenverteilung (KGV) simuliert. Wesentliches Anwendungsgebiet ist die Betonforschung, in der KGVs mit einer möglichst hohen Raumausfüllung gesucht werden. Als Ergebnis liefert die Simulation im Moment i.W. die erreichte Raumausfüllung als Prozentangabe und erstellt statische Bilder von simulierten Packungen mit Standardsoftware.

Für einen Einsatz der Simulation in einem breiteren Anwendungsfeld, etwa der Herstellung von Filtern und Membranen aus Partikeln, aber auch für die Herstellung von Mischungen für Gießereiformen oder den 3D-Druck, müssen weitere, qualitative Eigenschaften der Packungen ermittelt werden, die z.B. die lokale Interaktion der Partikel betreffen. Dies ist besonders dann erforderlich, wenn nicht-sphärische Partikel simuliert werden, wie dies in Ansätzen bereits möglich ist. Hier möchte man die relative Lage der (unterschiedlich geformten) Partikel zueinander erkennen und die Durchmischung beurteilen können. Damit könnten auch die Auswirkungen genauer studiert werden, die einzelne Parametereinstellungen der Simulation haben, die ihrerseits realen Bedingungen wie Druck oder Dauer des Mischvorgangs entsprechen.

Bei realen Mischungen kann man unter einem Mikroskop z.B. Anordnung und Gestalt der Zwischenräume untersuchen oder mögliche (unerwünschte) Sortierung der Partikel entdecken. Im Rahmen dieses Projekts soll daher ein flexibles Visualisierungswerkzeug entwickelt werden, dass als eine Art virtuelles Mikroskop intensive qualitative Untersuchungen einer simulierten Mischung ermöglicht. Dies würde das Anwendungsspektrum vorhandener Simulationssysteme erweitern, gleichzeitig wäre dies ein wichtiges Werkzeug für die Weiterentwicklung und Verbesserung der Simulation.

Interacting in Photorealistic Augmented Reality (IPAR)

DFG-gefördertes Forschungsprojekt

Projektpartner: Prof.Dr. Raimund Dachselt, TU Dresden

      

Die Erweiterte Realität (Augmented Reality) hat dank mobiler Endgeräte das Potenzial, künftig auch jenseits industrieller Anwendungen verstärkt zum Einsatz zu kommen. Zum Beispiel können im Bereich Architektur und Innenarchitektur virtuelle Möbel oder Fenster in realen Räumen platziert werden.

Für die Manipulation einer möglichst überzeugend augmentierten, realen Welt werden sowohl in Echtzeit generierte, photorealistische Darstellungen als auch natürliche, nahtlose Interaktionsformen mit den virtuellen Objekten benötigt. Dies sind zwei wesentliche Erfolgsaspekte für Augmented Reality-Anwendungen, die im Projekt IPAR erforscht werden.

Grundlage ist zunächst die Vermessung der komplexen, realen Lichtverhältnisse, die als Eingabe für die Echtzeit-Beleuchtung der virtuellen Objekte verwendet werden. Neben der Veränderung der real wirkenden virtuellen Objekte wird damit auch eine virtuelle Manipulation realer Objekte bei konsistenter Beleuchtung möglich. Für die Interaktionen werden einerseits indirekte Techniken untersucht, bei denen in der Hand gehaltene moderne Tablets als sogenannte "Magische Linsen" zum Einsatz kommen. Analog zu einem Kameradisplay stellen sie ein Fenster in die virtuell angereicherte Realität dar, durch das Anwender Gegenstände manipulieren können. Andererseits sollen auch direkte gestische Interaktionstechniken in Kombination mit einer mobilen Projektion auf reale Objekte entwickelt und evaluiert werden.

Neben Forschungsfragen zur Vermessung und Modellierung zeitlich und räumlich variierender Beleuchtung in Innenräumen wird im Forschungsprojekt untersucht, welche Herausforderungen sich aus der nahtlosen Integration bezüglich der Nutzerinteraktion und Akzeptanz ergeben.

Publikationen

Tiled Frustum Culling for Differential Rendering on Mobile Devices
Kai Rohmer and Thorsten Grosch
IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2015)

Interactive Near-Field Illumination for Photorealistic Augmented Reality 
with Varying Materials on Mobile Devices

Kai Rohmer, Wolfgang Büschel, Raimund Dachselt and Thorsten Grosch
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG 2015)

Interactive Near-field Illumination for Photorealistic Augmented Reality on Mobile Devices
Kai Rohmer, Wolfgang Büschel, Raimund Dachselt and Thorsten Grosch
IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2014)
Best Full Paper Award

 

 

Interaktive Globale Beleuchtung für große Szenen

DFG-gefördertes Forschungsprojekt

Eine globale Beleuchtungssimulationen ist heute mit hoher Qualität möglich, allerdings stellen die immer größer werdenden Szenen ein Problem dar: Der zur Verfügung stehende Speicher auf CPU und GPU ist oft für eine komplette Simulation nicht ausreichend. Daher werden Out-of-Core Verfahren benötigt, die eine Beleuchtung dieser Modelle ermöglichen. Im Gegensatz zu einer einfachen Visualisierung, bei der nur der für den aktuellen Betrachterstandpunkt sichtbare Bereich in den Hauptspeicher eingelagert wird, tragen bei der globalen Beleuchtung die Szenenbereiche außerhalb des Sichtvolumens entscheidend zur Beleuchtung bei. In diesem Projekt sollen daher Strategien zur schnellen Bestimmung der für die globale Beleuchtung wichtigen Szenenregionen entwickelt werden. Dies soll eine interaktive Beleuchtung einer dynamischen Szene ermöglichen, die trotz einer groben Repräsentation der im Hauptspeicher eingelagerten Szene keine visuellen Artefakte aufweist. Weiterhin soll für Standbilder eine physikalisch korrekte Simulation erstellt werden können, die in der Darstellungsqualität dem Stand der Technik für Szenen normaler Größe entspricht. Dies betrifft speziell die komplexen Lichtpfade, die mit aktuellen Out-of-Core Beleuchtungsverfahren nicht möglich sind.

Publikationen

 Distributed Out-of-Core Stochastic Progressive Photon Mapping
Tobias Günther and Thorsten Grosch
Computer Graphics Forum, Volume 33, Issue 6, September 2014

 Illumination-driven Mesh Reduction for Accelerating Light Transport SimulationsVideo]
Andreas Reich, Tobias Günther and Thorsten Grosch
Conditionally accepted at Eurographics Symposium on Rendering (EGSR 2015)

 

 

 

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